TWI806889B - 半導體計量工具之收集系統及操作一半導體計量工具之方法 - Google Patents

半導體計量工具之收集系統及操作一半導體計量工具之方法 Download PDF

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貝利 布萊森罕
娜安 薩賓恩斯
麥克 費德曼
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美商克萊譚克公司
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Abstract

在某些實施例中，提供一半導體計量工具之一收集系統，其包括：一卡盤，其用於支撐一光束自其反射之一目標；及一光圈遮罩，其用於提供該反射光束之一可調整光圈。該光圈遮罩包括具有可調整位置之複數個不透明板。該收集系統亦包括一光譜儀以接收該反射光束。該光圈遮罩沿著光軸坐落於該卡盤與該光譜儀之間。

Description

半導體計量工具之收集系統及操作一半導體計量工具之方法
本發明係關於光學半導體計量學(例如，橢圓偏光技術)，更具體而言係關於使用一種提供一可變光圈之光圈遮罩。
諸如橢圓偏光儀之光學計量工具用於藉由自諸如半導體晶圓之目標反射一光束來表徵該目標。然而，使用此等工具執行精確表徵呈現顯著挑戰。舉例而言，表徵結果受該目標之多個參數影響。某些目標參數可係相關的，使得不同參數之變化具有相同效應。目標參數之間的相關性使得難以知曉哪個參數對一特定結果負責。為破壞此等相關性並基於光學計量結果精確地表徵目標，期望改變光束自目標反射的方式。
圖1係用於表徵目標120(例如，一半導體晶圓)之一先前技術橢圓偏光儀100之一示意性圖解。在橢圓偏光儀100中，一照明系統102將一光束自一雷射驅動光源(LDLS)106提供至目標120，目標120反射該光束。一收集系統104將反射光束提供至一光譜儀132。照明系統102依序包括複數個反射鏡108-1至108-4、一Rochon偏光器110、一光圈112、一變跡器114、一凸面鏡116及一凹面鏡118。收集系統104依序包括一凹面鏡124上的一收集遮罩122、一凸面鏡126、一延遲器128及一分析器130(例如，一偏光器)。
收集遮罩122包括相對於目標120成固定入射角(自垂直於目標120之表面之一軸量測)之三個快門光圈：59°、65°及71°。藉由打開該等快門中之一者，收集遮罩122允許光束之一部分由凹面鏡124以一指定入射角反射至凸面鏡126，且因此朝向光譜儀132前進。以此方式，收集遮罩122掩蔽自目標120反射之光束。橢圓偏光儀100因此允許以三個不同之入射角進行量測，此對於破壞相關性以達成目標120之精確表徵有用。
然而，收集遮罩係對未對準非常敏感：該收集遮罩坐落於光束發散超過10°之一位置處。並且因為收集遮罩122上的三個光圈係固定的，所以使用者不可改變該等光圈中之任一者。舉例而言，使用者不可選擇其他入射角，不可改變一既定光圈之入射角範圍(例如，以增加光束亮度)，並且不可旋轉光圈以適應目標120相對於光束之方位角之變化。
因此，需要改變用於掩蔽一半導體計量工具中之一光束之一光圈之方法及系統。
在某些實施例中，一種用於一半導體計量工具中之光圈遮罩包括一框架及以機械方式耦合至該框架之複數個不透明板。該框架具有一孔以允許一光束之傳輸。該等不透明板具有相對於該孔之可調整位置，以阻擋該孔之各別部分及該光束之對應部分。
在某些實施例中，一半導體計量工具之一收集系統包括用於支撐一光束自其反射之一目標之一卡盤及用於提供該反射光束之一可調整光圈之一光圈遮罩。該光圈遮罩包括具有可調整位置之複數個不透明板。該收集系統亦包括一光譜儀以接收該反射光束。該光圈遮罩係沿著光 軸坐落於該卡盤與該光譜儀之間。
在某些實施例中，一種操作一半導體計量工具之方法包括將一目標裝載至一卡盤上並用一光束照射該目標，使得該目標反射該光束。調整掩蔽該反射光束之一光圈遮罩上的一或多個不透明板之位置，以達成以下各項中之至少一者：(i)該光束相對於該目標之一選定中心入射角，(ii)該光束相對於該目標之一選定入射角範圍，或(iii)該一或多個不透明板之一選定旋轉度，其對應於該目標相對於該光束之一方位角。
在某些實施例中，一半導體計量工具之一收集系統包括用於支撐一光束自其反射之一目標之一卡盤及用於接收該反射光束之一光譜儀。該收集系統亦包括複數個光圈遮罩，該等光圈遮罩圍繞平行於一光軸之一軸依一可旋轉序列配置。該複數個光圈遮罩中之每一光圈遮罩可轉入及轉出該卡盤與該光譜儀之間的該反射光束，以選擇性地掩蔽該反射光束。
100:橢圓偏光儀
102:照明系統
104:收集系統
106:雷射驅動光源
108-1:反射鏡
108-2:反射鏡
108-3:反射鏡
108-4:反射鏡
110:Rochon偏光器
112:光圈
114:變跡器
116:凸面鏡
118:凹面鏡
120:目標
122:收集遮罩
124:凹面鏡
126:凸面鏡
128:延遲器
130:分析器
132:光譜儀
200:收集系統
202:卡盤/光束
204:收集透鏡
206:光束
208:光圈遮罩
210:分析器
212:聚焦透鏡
214:光譜儀
300:光圈遮罩
302-1:不透明板/光學板
302-2:不透明板/光學板
304-1:平移級
304-2:平移級
306:旋轉級
308:框架
310:孔
400:方法
402:裝載
404:照射
406:準直
408:調整
410:調整
412:調整
414:旋轉
416:接收
418:聚焦
502-1:光圈
502-2:光圈
502-3:光圈
502-4:光圈
504:結構
為更好理解各種所闡述實施方式，應結合以下圖式參考以下詳細說明。
圖1係用於表徵諸如一半導體晶圓之一目標之一先前技術橢圓偏光儀之一示意性圖解。
圖2係根據某些實施例之一收集系統之一示意性圖解，該收集系統具有提供一可調整光圈之一光圈遮罩。
圖3展示根據某些實施例之圖2之光圈遮罩之一實例之一平面圖。
圖4係圖解說明根據某些實施例之操作諸如一橢圓偏光儀 之一半導體計量工具之一方法之一流程圖。
圖5展示根據某些實施例之一可旋轉結構中之不同光圈之一配置。
在所有圖式及說明書中，相似參考編號指代對應部分。
相關申請
本申請案主張於2017年8月9日申請之標題為「Variable AOI and Azimuth Mask」之美國臨時專利申請案第62/543,315號之優先權，該美國臨時專利申請案出於所有目的以全文引用的方式併入本文中。
現將詳細參考各種實施例，該等實施例之實例在隨附圖式中加以圖解說明。在以下詳細說明中，陳述眾多具體細節以提供對各種所闡述實施例之一透徹理解。然而，所屬領域普通技術人員將瞭解，可在不具有此等具體細節的情況下實踐各種所闡述實施例。在其他例項中，未詳細闡述熟知方法、程序、組件、電路及網路，以免不必要地模糊實施例之態樣。
圖2係根據某些實施例之一收集系統200之一示意性圖解，該收集系統200具有提供一可調整光圈之一光圈遮罩208。收集系統200可代替橢圓偏光儀100(圖1)中的收集系統104，或者可用於一不同之半導體計量工具(例如，一不同之橢圓偏光儀)中。在某些實施例中，光圈遮罩208係可調整的以達成以下各項(例如，全部)中之至少一者：(i)光束相對於目標之一選定中心入射角，(ii)光束相對於目標之一選定入射角範圍，或(iii)一或多個不透明板之一選定旋轉度，其對應於目標相對於光束之一方位角。
在收集系統200中，將一目標120(例如，一半導體晶圓)安裝於一卡盤202上。一光束206自目標120反射。(出於視覺清晰目的，圖1中未展示如藉由一照明系統提供之入射光束。)卡盤202可係可旋轉的，以改變目標120相對於光束206之一方位角。一收集透鏡204準直光束206，使得光束206在收集透鏡204與一聚焦透鏡212之間大致準直(例如，在收集透鏡204之公差範圍內)。光圈遮罩208因此係處於經準直空間中。光圈遮罩208藉由允許光束206之部分傳輸且阻擋光束206之其他部分傳輸而掩蔽經準直光束206。(經掩蔽光束206仍被稱為光束206，即使其若干部分已被阻擋。)一分析器210(例如，一偏光器)調整光束206(例如，改變其偏光)，並且聚焦透鏡212將光束206聚焦至一光譜儀214上，該光譜儀214量測光束206(例如，量測其跨越波長之強度)。在某些實施例中，自目標120反射之光束206具有橢圓偏光，並且分析器210將光束206之偏光調整為線性。
在某些實施例中，忽略收集透鏡204，使得光束206在光圈遮罩208處不準直(亦即，光圈遮罩208不處於經準直空間中)。舉例而言，當光束206中之入射角之範圍小於(或小於或等於)15°或10°時，可忽略收集透鏡204。
在某些實施例中，收集系統200包括一或多個額外組件。舉例而言，收集系統200可包括介於光圈遮罩208與分析器210之間之一補償器。
圖3展示根據某些實施例之一光圈遮罩300之一平面圖，光圈遮罩300係光圈遮罩208(圖2)之一實例。該光圈遮罩300包括一旋轉級306，旋轉級306安裝於一框架308上且可相對於框架308圍繞穿過一孔310 之一軸(例如，光軸或平行於該光軸之一軸)旋轉。旋轉級306及框架308具有各別孔(例如，在其各別中間)，使得當旋轉級306安裝於框架308上時，形成孔310(例如，在光圈遮罩300之中間)。孔310允許光束206之部分透過光圈遮罩300傳輸。兩個平移級304-1及304-2直接或間接地機械耦合至旋轉級306(例如，安裝於旋轉級306上)，使得平移級304-1及304-2根據旋轉級306之旋轉而旋轉。因此，平移級304-1及304-2係藉由旋轉級306機械地耦合至框架308，且可圍繞穿過孔310之軸旋轉。
各別不透明板302安裝於各別平移級304上：一第一不透明板302-1安裝於第一平移級304-1上且一第二不透明板302-2安裝於第二平移級304-2上。因此，不透明板302係透過各別平移級304機械地耦合至旋轉級306，且透過各別平移級304及旋轉級306機械地耦合至框架308。不透明板302之位置可使用平移級304及旋轉級306來調整，以阻擋孔310之各別部分及光束206之對應部分。孔310之未被不透明板302阻擋之部分係光束206之一光圈。因此，不透明板302充當各別光圈邊緣。
第一平移級304-1及第二平移級304-2係用於調整第一不透明板302-1及第二不透明板302-2之各別線性位置。在某些實施例中，第一平移級304-1及第二平移級304-2可獨立操作以調整第一不透明板302-1及第二不透明板302-2之線性位置。因此，可加寬或變窄第一不透明板302-1與第二不透明板302-2之間之距離，以加寬或變窄孔310之未被阻擋之部分(亦即，光圈之寬度)。此加寬或變窄調整光束206相對於目標120之透過光圈傳輸之入射角範圍。加寬光圈會增加所傳輸之入射角範圍，而變窄光圈會減小入射角範圍。允許一寬入射角範圍透過光圈遮罩300可係合意的，以獲得一強信號(例如，當光束206之相關部分具有一低強度時)。當一目 標參數產生隨入射角之一強勁變化之一效應時，允許一窄入射角範圍透過光圈遮罩300可係合意的。
在某些實施例中，第一平移級304-1及第二平移級304-2大致上沿著一共同軸(例如，旋轉級306之一直徑)對準，並允許沿著共同軸單獨調整第一不透明板302-1及第二不透明板302-2之線性位置。在某些實施例中，第一平移級304-1及第二平移級304-2係機動化的(例如，各自具有其自己的馬達，諸如一步進馬達)。
在某些實施例中，旋轉級306根據卡盤202之旋轉而旋轉(例如，藉由等於卡盤202之旋轉之一徑向向量)，以適應目標120相對於光束206之方位角之一變化。在某些實施例中，旋轉級306係機動化的。
在圖3之實例中，光圈遮罩300具有兩個不透明板302。在其他實例中，一光圈遮罩可具有三或更多個不透明板，每一不透明板可安裝於一各別平移級上，其中該等平移級係安裝於一單個旋轉級上。該等平移級可各自單獨操作以調整複數個不透明板之各別位置。
在某些實施例中，忽略旋轉級306。舉例而言，平移級304可直接安裝於框架308上。在其他實施例中，忽略平移級304中之一或多者(例如，所有)。舉例而言，一或多個對應不透明板302(例如，所有不透明板302)可固定地安裝於旋轉級306上，使得該等不透明板部分地重疊孔310。
因此，光圈遮罩300提供一單個可調整光圈，反之，收集遮罩122(圖1)提供複數個固定光圈。可加寬、變窄、移位及/或旋轉光圈遮罩300提供之光圈。可容易地調整光圈使得光圈遮罩300對未對準不敏感。雖然光圈遮罩300已被闡述為用於一計量工具之收集系統200(圖2) 中，另一選擇或另外，其可用於一計量工具之照明系統中。
圖4係根據某些實施例圖解說明操作一半導體計量工具(例如，一橢圓偏光儀)之一方法400之一流程圖。該計量工具可包括收集系統200(圖2)，其可包括光圈遮罩300(圖3)。
在方法400中，將一目標(例如，目標120，圖2)裝載(402)於一卡盤(例如，卡盤202，圖2)上。目標被一光束照射(404)且反射該光束。在某些實施例中，該反射光束(例如，光束206)經準直(406)，使得一光圈遮罩(例如，光圈遮罩208，圖2；光圈遮罩300，圖3)掩蔽該經準直光束。
在掩蔽反射光束之光圈遮罩上調整(408)一或多個不透明板(例如，光學板302-1及302-2，圖3)之位置，以達成以下各項中之至少一者：(i)光束相對於目標之一選定中心入射角，(ii)光束相對於目標之一選定入射角範圍，或(iii)一或多個不透明板之一選定旋轉度，其對應於目標相對於光束之一方位角。在某些實施例中，調整(410)光圈遮罩上的第一及第二不透明板之線性位置以達成選定中心入射角或選定入射角範圍中之至少一者。可獨立於第二不透明板之線性位置調整(412)第一不透明板之線性位置。舉例而言，使用平移級304-1及304-2(圖3)單獨調整不透明板302-1及302-2之線性位置。
在其中調整該等位置以達成選定旋轉度(亦即，舉例而言，使用圖3之旋轉級306使該等位置旋轉該選定旋轉度)之某些實施例中，使卡盤旋轉(414)以設定目標相對於光束之方位角。
在調整一或多個不透明板之位置時，於一光譜儀(例如，光譜儀214，圖2)處接收(416)光束。舉例而言，將經準直光束聚焦(418)於 該光譜儀上。
可重新排序方法400中並非次序相依之步驟，且可組合或分解步驟。舉例而言，可在步驟404及406之前執行步驟408-414。而且，可在步驟408之前或與步驟408同時執行步驟414，此可包括或不包括步驟410及412。此外，可忽略一或多個步驟(例如，步驟414或步驟410及412)。
在某些實施例中，替代調整一單個光圈遮罩以改變一光圈，可將不同光圈選擇性地移入及移出光束(例如，光束206，圖2)。圖5展示根據某些實施例之一可旋轉結構504(例如，一轉檯)中之不同光圈502-1、502-2、502-3及502-4之一配置。不同光圈502可在大小及/或定向上改變，且可轉入及轉出光束以選擇性地掩蔽光束。結構504圍繞平行於光軸之一軸旋轉，且因此提供以一可旋轉序列配置之複數個光圈遮罩。在某些實施例中，結構504取代收集系統200(圖4)中之光圈遮罩208。在其他實施例中，不同光圈可坐落於各別板中，該等板可放置(例如，滑動)於光束之路徑中或自光束之路徑移除，因此允許各別光圈選擇性地移入或移出光束。
出於解釋之目的，已參考特定實施例闡述了本說明。然而，以上說明性論述並不意欲為窮盡性的或將申請專利範圍之範疇限制於所揭示之精確形式。鑒於以上教示，諸多修改及變化係可能的。選擇實施例以便最佳地解釋申請專利範圍項下之原理及其實務應用，以藉此使得其他熟習此項技術者能夠最佳地利用具有可適用於所涵蓋之特定用途之各種修改之實施例。
120:目標
200:收集系統
202:卡盤/光束
204:收集透鏡
206:光束
208:光圈遮罩
210:分析器
212:聚焦透鏡
214:光譜儀

Claims (21)

  1. 一種一半導體計量工具之收集系統，其包含：一卡盤，其用於支撐一光束自其反射之一目標；一光圈遮罩，其提供該經反射的光束之一可調整光圈，該光圈遮罩包含具有多個可調整位置之複數個不透明板；一收集透鏡，其沿著該光軸坐落於該卡盤與該光圈遮罩之間以準直該經反射的光束，其中該經反射的光束係於該光圈遮罩處大致準直；一光譜儀，其用於接收該經反射的光束；及一聚焦透鏡，其沿著該光軸坐落於該光圈遮罩與該光譜儀之間以將該經反射的光束聚焦於該光譜儀上；其中該光圈遮罩沿著該光軸坐落於該卡盤與該光譜儀之間。
  2. 如請求項1之收集系統，其進一步包含一分析器，該分析器沿著該光軸坐落於該光圈遮罩與該聚焦透鏡之間以改變該經反射的光束之偏光。
  3. 如請求項1之收集系統，其中：該複數個不透明板包含一第一不透明板及一第二不透明板；該光圈遮罩進一步包含：一第一平移級，其上安裝有該第一不透明板以調整該第一不透明板之一線性位置；及一第二平移級，其上安裝有該第二不透明板以調整該第二不透明板之一線性位置；且 該等第一及第二平移級係可單獨地操作以調整該等第一及第二不透明板之該等線性位置。
  4. 如請求項3之收集系統，其中：該光圈遮罩進一步包含該等第一及第二平移級安裝於其上且具有一孔以允許該光束傳輸之一旋轉級，該旋轉級可圍繞該光軸或平行於該光軸之一軸旋轉；且該等第一及第二不透明板可經配置以阻擋該孔之各別可調整部分。
  5. 如請求項4之收集系統，其中該卡盤可旋轉以改變該目標相對於該光束之一方位角，該旋轉級可根據該卡盤之旋轉而旋轉。
  6. 如請求項1之收集系統，其中：該複數個不透明板包含一第一不透明板及一第二不透明板；該光圈遮罩進一步包含安裝於一框架上且具有一孔以允許該光束傳輸之一旋轉級；且該等第一及第二不透明板機械地耦合至該旋轉級以允許該等第一及第二不透明板相對於該孔旋轉。
  7. 一種操作一半導體計量工具之方法，其包含：將一目標裝載於一卡盤上；用一光束照射該目標，其中該目標反射該光束；準直該經反射的光束； 調整掩蔽如所準直的該經反射的光束之一光圈遮罩上的一或更多個不透明板之多個位置，以達成以下各項中之至少一者：該光束相對於該目標之一選定中心入射角；該光束相對於該目標之一選定入射角範圍；或該一或更多個不透明板之一選定旋轉度，其對應於該目標相對於該光束之一方位角；及將該經準直的光束聚焦於一光譜儀上；在該一或更多個不透明板之該等位置經調整的情形中，於一光譜儀處接收該光束。
  8. 如請求項7之方法，其進一步包含旋轉該卡盤以設定該目標相對於該光束之該方位角；其中調整該一或更多個不透明板之該等位置包含旋轉該一或更多個不透明板之該等位置以達成該選定旋轉度。
  9. 如請求項7之方法，其中調整該一或更多個不透明板之該等位置包含調整該光圈遮罩上之該等第一及第二不透明板之線性位置，以達成該選定中心入射角或該選定入射角範圍中之至少一者。
  10. 如請求項9之方法，其中獨立於調整該第二不透明板之該線性位置而執行調整該第一不透明板之該線性位置。
  11. 一種一半導體計量工具之收集系統，其包含：一卡盤，其用於支撐一光束自其反射之一目標； 一光譜儀，其用於接收該經反射的光束；複數個光圈遮罩，其圍繞平行於一光軸之一軸依一可旋轉序列配置，其中該複數個光圈遮罩中之每一光圈遮罩可在該卡盤與該光譜儀之間轉入及轉出該經反射的光束，以選擇性地掩蔽該經反射的光束；一收集透鏡，其沿著該光軸坐落於該卡盤與該複數個光圈遮罩之間以準直該經反射的光束，其中當該複數個光圈遮罩之一各自的光圈遮罩係在該經反射的光束中時，該經反射的光束於該複數個光圈遮罩之該各自的光圈遮罩處大致準直；及一聚焦透鏡，其沿著該光軸坐落於該複數個光圈遮罩與該光譜儀之間以將如被該各自的光圈遮罩所掩蔽的該經準直的光束聚焦於該光譜儀上。
  12. 如請求項11之收集系統，進一步包含一轉檯，其上安裝有該複數個光圈遮罩。
  13. 如請求項11之收集系統，其中該複數個光圈遮罩在大小上改變。
  14. 如請求項11之收集系統，其中該複數個光圈遮罩在定向上改變。
  15. 如請求項11之收集系統，其中該複數個光圈遮罩在大小及定向上改變。
  16. 如請求項11之收集系統，其進一步包含一分析器，該分析器沿著該 光軸坐落於該複數個光圈遮罩與該聚焦透鏡之間以改變該經反射的光束之偏光。
  17. 一種操作一半導體計量工具之方法，其包含：將一目標裝載於一卡盤上；用一光束照射該目標，其中該目標反射該光束；準直該經反射的光束；選擇性地掩蔽該經準直的反射光束，其包含旋轉複數個光圈遮罩之一各自的光圈遮罩進入該經準直的反射光束中，其中該複數個光圈遮罩係圍繞平行於一光軸之一軸依一可旋轉序列配置；及將該經準直的且經掩蔽的光束聚焦於一光譜儀上；及於該光譜儀處接收如被各自的光圈遮罩所掩蔽的該經聚焦的光束。
  18. 如請求項17之方法，其中該旋轉包含旋轉一轉檯，其上安裝有該複數個光圈遮罩。
  19. 如請求項17之方法，其中該複數個光圈遮罩在大小上改變。
  20. 如請求項17之方法，其中該複數個光圈遮罩在定向上改變。
  21. 如請求項17之方法，其中該複數個光圈遮罩在大小及定向上改變。
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